CN107437492B - 高效离子捕获 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子捕获系统，其包括用于推动离子在离子捕获区域内扩散的离子推动系统。可选地，离子捕获系统可以使离子偏转，使得离子在不同位置进入离子捕获区域。可选地，离子偏转器可以布置在离子捕获区域的上游或入口处，用于偏转离子，使得离子以不同的速度进入离子捕获区域，使得离子在离子捕获区域内扩散。

Description

高效离子捕获

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年5月25日提交的申请号为1609243.9的英国专利申请的优先权和权益。将该申请的全部内容通过引用引入本文。

技术领域

本发明一般涉及质谱仪，特别涉及一种具有相对较高的空间电荷能力的离子阱的质谱仪。

背景技术

已知在离子迁移分离器(IMS)装置的上游使用RF限制的离子阱以增加仪器的占空比。特别地，可以从上游离子源将离子累积在离子阱，然后脉冲到IMS装置中。虽然离子在IMS装置内是分离的，但是不希望使其它离子进入IMS装置。在此过程中，来自上游离子源的离子累积在离子阱中，使不会损失离子并提高了仪器的占空比。随后可以将这些离子脉冲进入IMS装置。因此，在每个IMS分离循环开始时，离子可以被累积在离子阱中并且周期性地释放到下游离子迁移分离区。

离子阱可以在与IMS装置中采用的压力相似的较高的高压(例如0.2-20毫巴)下操作。在该升高的压力下，在离子束进入离子阱的位置处，离子阱内的局部电荷密度增加了。如果离子阱中的局部电荷密度太高，则离子可能由于靠近径向限制RF场的加热而解离。这是热不稳定化合物的一个特殊问题。

此外，当离子从离子阱释放到IMS装置中时，由上述引起的高电荷密度可能导致IMS装置中的RF加热和/或分离过程中IMS峰宽和漂移时间的失真。

因此，期望提供改进的质谱或离子迁移谱仪、改进的离子捕获系统、改进的质谱或离子迁移谱方法、和改进的捕获离子的方法。

发明内容

第一方面，本发明提供一种离子捕获系统，包括：

多个电极；

连接到电极的一个以上电压源，其中电极和一个以上的电压源适配并配置为在使用中提供离子捕获区域；

用于在使用中沿着离子入口轴接收离子到离子捕获区域中的离子入口；

用于在使用中沿着离子出口轴从离子捕获区域喷射离子的离子喷射系统，其中电极和电压源被配置为使得离子捕获区域正交于入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸大于离子捕获区域平行于入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸；和

还包括以下的一个以上：

(i)离子推动系统(ion urging system)，用于在离子捕获区域内正交于入口轴和/或出口轴推动离子，使得离子在离子捕获区域内扩散，其中离子捕获区域被适配并被配置为保持在≥0.01毫巴的压力下；和/或

(ii)被布置在离子捕获区域上游的离子偏转器，其中该离子偏转器被配置为使得至少一些朝向离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得进入离子捕获区域的离子在在不同位置进入离子捕获区域；和/或

(iii)被布置在离子捕获区域的上游或入口处的离子偏转器，其中该离子偏转器被配置为使得至少一些朝向离子捕获区域行进或进入离子捕获区域的离子发生偏转，使得离子正交于出口轴和/或入口轴以不同的速度进入离子捕获区域，从而使离子在正交于出口轴和/或入口轴的方向上在离子捕获区域内扩散。

本发明的实施方案的离子捕获系统将离子从入口轴和/或出口轴分散开，从而减少了用离子填充离子捕获区域时和/或沿着离子出口轴的空间电荷效应。

US 2013/0037711公开了Kingdon离子阱，其中离子在其围绕中心电极轨道运行时沿着纵向轴线谐波振荡。谐波振荡在检测器电极上引起电流，然后可进行傅立叶变换确定出离子的质荷比。然而，此类装置需要超高真空来操作。相反，本发明的实施方案要求离子捕获区域的压力保持在≥0.01毫巴。在相对较高的压力下，离子通过与背景气体分子的相互作用而丧失了动能，并且有效填充离子捕获区域时发生了困难。

WO 2013/027054公开了空间延伸的离子捕获区域。参考图3A-C，离子可以沿着z维或沿x维进入装置，并且可以在z维方向沿着装置施加二次DC电势，使得离子在捕获区域302中被捕获。随后可以在z维调制二次阱(quadratic well)，以便质量选择性地从离子捕获区域喷射离子。然而，WO'054没有公开在质量选择性地喷射离子的二次阱的调制期间将离子捕获区域的压力保持在≥0.01毫巴。在所述的质量选择喷射方法期间不会使用这样高的压力。在WO'054中提到了更高的压力，虽然这些与在其它模式(例如碰撞池)下使用离子捕获区域有关。

根据本发明的第一方面的选项(i)可以包括离子推动系统，用于在离子捕获区域内正交于入口轴推动离子，使得离子在离子捕获区域内扩散，其中离子捕获区域正交于入口轴延伸的最大尺寸大于离子捕获区域平行于入口轴延伸的最大尺寸。在WO'054中，当二次阱正交于入口轴推动离子，离子捕获区域正交于入口轴延伸的最大尺寸不大于离子捕获区域平行于入口轴延伸的最大尺寸。

根据本发明的第一方面的选项(i)可以包括离子推动系统，用于在离子捕获区域内正交于出口轴推动离子，使得离子在离子捕获区域内扩散，其中离子捕获区域正交于出口轴延伸的最大尺寸大于离子捕获区域平行于出口轴延伸的最大尺寸。WO'054并没有公开或暗示在离子捕获区域内正交于出口轴推动离子，使得离子在离子捕获区域内扩散。

本发明的离子捕获系统可以被设置并配置为在用离子填充阱过程中执行步骤(i)和/或(ii)和/或(iii)。

离子捕获系统可以被设置并配置成使得离子推动系统不会使离子离开离子捕获区域和/或不会质量地选择性地从离子捕获区域中喷射离子。

离子捕获系统可以被设置并配置为使得离子捕获区域随着时间是静态的。

本发明的实施方案的离子捕获区域在正交于出口轴上具有比平行于出口轴上更高的离子捕获能力。因此，离子捕获区域能够具有相对高的电荷容量，同时使平行于离子出口轴的离子的空间扩散最小化，并且因此使离子在向下游装置(如质量和/或离子迁移分析仪)的喷射方向上的空间扩散最小化。因此，可以将离子作为平行于出口轴的具有相对小尺寸的离子包从离子捕获区域喷射进入下游装置。例如，如果下游装置被配置为仅在时间窗口内接收离子，或需要来自离子捕获区域的所有离子基本上同时进入下游装置(例如，如果下游装置是漂移时间离子迁移分离器)时，这可能是有用的。

离子捕获区域平行于入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸可以是离子捕获区域正交于入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸的x％，其中x选自由以下组成的组：≤10；≤15；≤20；≤25；≤30；≤35；≤40；≤45；≤50；≤55；≤60；≤65；≤70；≤75；≤80；≤85和≤90。

可以配置电极和电压源，使得离子捕获区域在正交于入口轴和/或出口轴的平面内延伸的最大离子捕获面积大于离子捕获区域在平行于入口轴和/或出口轴的平面内延伸的最大离子捕获面积。离子捕获区域在平行于入口轴和/或出口轴的平面内延伸的最大离子捕获面积可以是离子捕获区域在正交于入口轴和/或出口轴的平面内延伸的最大离子捕获面积的y％，其y选自由以下组成的组：≤10；≤15；≤20；≤25；≤30；≤35；≤40；≤45；≤50；≤55；≤60；≤65；≤70；≤75；≤80；≤85和≤90。因此离子捕获区域可以在正交于入口轴和/或出口轴上具有比平行于入口轴和/或出口轴明显更高的离子捕获能力。

该系统包括控制器和电子电路，被布置和配置为：控制一个以上的电压源以便向电极施加电压，使得在离子填充过程中，离子能够沿着所述入口轴被所述离子捕获区域接收并在所述离子捕获区域被捕获；并且其中该控制器被布置和配置为：(i)控制离子推动系统以在离子填充过程中推动离子在离子捕获区域内正交于入口轴和/或出口轴扩散；和/或(ii)控制离子偏转器使得至少一些朝向离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得在离子填充过程中进入离子捕获区域的离子在不同位置进入离子捕获区域；和/或iii)控制离子偏转器使得至少一些朝向离子捕获区域行进或进入离子捕获区域的离子发生偏转，使得在离子填充过程中离子正交于出口轴和/或入口轴以不同的速度进入离子捕获区域，从而使离子在正交于入口轴和/或出口轴的方向上在离子捕获区域内扩散。

离子推动系统可以被布置和配置为推动离子在基本对应于离子捕获区域的最大尺寸的尺寸上在离子捕获区域内扩散。

离子推动系统可以被配置成在不同方向(例如相反方向)上推动离子，使它们在离子捕获区域内扩散。

离子推动系统可以被配置成推动离子离开离子阱内的中心轴。

离子推动系统被适配并配置为在跨越离子捕获区域上施加电势梯度，任选地DC电势梯度，用于引起离子正交于所述入口轴和/或出口轴扩散；和/或该离子推动系统被适配和配置为沿着离子捕获区域平移至少一个瞬态DC电压，用于引起离子正交于入口轴和/或出口轴扩散；和/或其中所述离子推动系统包括气泵，所述气泵被适配并配置为产生用于引起所述离子正交于入口轴和/或出口轴扩散的气流。

该系统可以包括沿着离子捕获区域间隔开的多个电极，并且该离子推动系统可以被配置为在不同时间沿着离子捕获区域连续地对连续的不同电极施加瞬态DC电压，使得沿着离子捕获区平移瞬态DC电压。

瞬态DC电压可以沿着离子捕获区域重复行进，使得离子正交于入口轴和/或出口轴扩散。

多个瞬态DC电压可以沿离子捕获区域在多个方向上行进，使得离子正交于入口轴和/或出口轴扩散。不同的瞬态DC电压可以沿着离子捕获区域以与入口轴和/或出口轴不同的方向行进。例如，瞬态DC电压可以沿着离子捕获区域以相反方向和远离入口轴和/或出口轴的方向行进。

随着所述瞬态DC电压沿着离子捕获区域平移，瞬态DC电压的振幅可能逐渐地减小。例如，随着瞬态DC电压向离子捕获区域的一侧行进，振幅可能会减小。这可以防止过量的离子被推向离子捕获区域的边缘，并且因此可以防止在该位置处的空间电荷效应的增加。

在离子捕获区域中将瞬态DC电压用于驱动离子时，将离子捕获体积扩展到单个维度中是特别有用的。例如，当沿着装置施加瞬态DC电压操纵离子时，期望的是，将施加这些电压的电极定位到离子附近，从而在一个维度上限制装置的尺寸。为了补偿这一点，在另一维度上可以使装置的尺寸相对较大。

离子捕获区域可以包括第一电极阵列、与第一电极阵列间隔开的第二电极阵列和连接到所述电极阵列的一个或多个用于向电极施加一个或多个电压以便将离子限制在电极阵列之间的方向的电压源。所述阵列中的至少一个可以包括沿着正交于阵列间的方向的阵列的第一维度间隔开的多个电极。离子推动系统可以被配置为沿着阵列的第一维度对电极施加不同的电压，以沿着第一维度产生所述电势梯度。另外或者可选地，离子推动系统可以被配置为在不同时间沿着阵列的第一维度连续地对连续的不同电极施加瞬态DC电压，使得沿着离子捕获区域的第一维度平移瞬态DC电压。

特别是当离子捕获区域被离子填充时，离子推动系统可以加速离子在离子捕获区域内分布的速率，并因此降低局部空间电荷密度。离子捕获区域可以具有平行于入口轴和/或出口轴并且任选地与入口轴和/或出口轴同轴的中心轴。离子推动系统可以被配置为驱动离子离开该中心轴线，以便将离子扩散到离子捕获区域上。例如，离子可以沿远离中心轴的两个相反方向被推动。

离子推动系统可以推动离子离开离子进入离子捕获区域的位置。在离子捕获区域内该位置可以具有最高的电荷密度和空间电荷效应，因此当离子捕获区域被离子填充时，有用的是离子推动系统可以驱动离子离开该区域。

离子偏转器被配置为使得朝向离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得进入离子捕获区域的离子在不同位置(i)同时或(ii)不同时地进入离子捕获区域；任选地其中离子偏转器被配置为通过随着时间改变离子沿着其进入离子捕获区域的平均轴，或在离子束或离子包中通过散焦、发散、分裂或以其它方式扩散至少一些离子使离子发生偏转。

例如，可以在离子束或离子包的路径中布置一个以上电极，使朝向离子捕获区域行进或进入离子捕获区域的离子束被分裂或扩散。例如，具有顶点的锥形或其它形状的电极可以被布置在离子束或离子包的路径中，使得离子被电极的顶点分裂或扩散。

在不同时间进入离子捕获区域的离子可以正交于入口轴和/或出口轴具有不同的速度。

离子偏转器包括至少一个电极和被适配并配置为向所述至少一个电极施加时变电势以进行使离子发生偏转的步骤的至少一个电压源。

时变电势可以是DC电势。

时变电势的大小随时间而变化。

离子偏转器的至少一个电极可以包括布置在离子束轴的相对侧上的至少一对电极。施加到这些电极的时变电势可以随时间不同，使得电极之间的电势差的大小和/或方向随时间变化。

该至少一个电极可以包括多对电极，每对电极具有布置在离子束轴的相对侧上的电极。施加到这些电极的时变电势可以随时间不同，使得每对电极之间的电势差的大小和/或方向随时间变化。

可以在离子束轴周围的不同位置沿周向布置至少三个电极，且至少一个电压源可以被配置为随时间改变施加到至少三个电极上的电压，使得离子以正交于离子束轴的速度分量偏转，其中正交速度分量的方向随时间变化。任选地，正交速度分量的方向随时间围绕离子束轴旋转。

离子偏转器包括布置在离子捕获区域上游的反向离子漏斗(inverted ionfunnel)，反向离子漏斗包括至少一个内部电极和围绕至少一个内部电极并在其间限定离子引导路径的至少一个外部电极，其中离子引导路径具有在朝向所述离子捕获区域的方向上增加的横截面面积。

反向离子漏斗可以包括一个以上电压源，用于对至少一个内部电极和至少一个外部电极施加电压以将离子径向限制在其之间的空间中。电压可以为RF电压。

至少一个内部电极可以是同轴布置的圆形或环形电极阵列。这些电极的外径可以在朝向离子捕获区域的方向增加。可以将RF电压的交变相位应用于该阵列中的相邻电极。至少一个外部电极可以是同轴布置的圆形或环形电极阵列。这些电极的内径可以在朝向离子捕获区域的方向增加。可以将RF电压的交变相位应用于该阵列中的相邻电极。

离子偏转器可以被配置为当离子向离子捕获区域行进时引起它们围绕至少一个内部电极旋转；或者离子偏转器可以被配置为使离子沿离子漏斗在轴向方向上行进，基本上不围绕至少一个内部电极旋转，这样使得在不同时间进入反向离子漏斗的离子沿不同的轴向离子路径行进。

可以在使离子正交于离子束轴偏转的离子偏转器部分和离子捕获区域之间设置反向离子漏斗。

离子偏转器可以包括至少一个与离子束轴径向间隔开的电极和至少一个电压源，该至少一个电压被配置为向该至少一个电极施加至少一个电压，以便同时在正交于离子束轴的多个方向上推动离子；任选地，其中至少一个电极至少部分地围绕离子束轴。

至少一个电极可以包括布置在距离离子束轴不同径向距离处的多个电极，其中至少一个电压源被配置为向这些电极施加DC电势，以便在径向向外方向上产生静态DC电势梯度或者产生在径向向外方向上行进的动态DC电势势垒以同时在正交于离子束轴的多个方向上推动离子。

离子偏转器可以包括在离子束轴上布置在所述至少一个电极下游的离子阻塞电极和用于对离子阻塞电极施加电压以使电子远离其的电压源，任选地以使离子阻塞电极和至少一个电极配合以同时在正交于离子束轴的多个方向上推动离子。

可以在使离子正交于离子束轴偏转的离子偏转器部分和离子捕获区域之间设置至少一个电极(和任选的离子阻塞电极)。

离子捕获系统包括多个电极和一个以上连接至所述电极用于对电极施加一个以上电压以将离子限制在离子捕获区域内的电压源。一个以上电压可以包含RF电压。

离子捕获区域和电压源可以被配置为在三维空间捕获离子(诸如任选地在离子填充期间或之后)。离子捕获系统可以为，或者可以包括用于捕获离子的3D离子阱。

离子捕获区域和电压源可以被配置为捕获离子以使离子基本上在离子捕获区域不解离。

离子捕获区域可以包括第一电极阵列、与第一电极阵列间隔开的第二电极阵列和一个以上连接至所述电极阵列用于对所述电极施加一个以上电压以将电子限制在电极阵列之间的空间中的电压源。一个以上电压源可以包括用于对电极施加RF电势以将离子限制在电极阵列之间的RF电压源。每个阵列的相邻电极可以连接至RF电压源的不同相位，任选地反相位。

离子捕获区域可以包括至少一个布置并配置用于将离子限制在正交于电极阵列之间的方向的维度上的电压源。这可以通过在(诸如平面)阵列的边缘提供电极并对这些电极施加电势，任选地DC电势来实现，以防止离子离开阵列之间的离子捕获体积，直到需要时。

可选地，至少一个阵列可以包括沿与阵列之间的方向正交的阵列的第一维度间隔开的多个电极，且至少一个电压源可以被配置为对这些电极施加不同的电势，任选地不同的DC电势，以创建将离子限制在阵列之间的空间中或第一维度方向上的势阱或势垒。可选地，或此外，至少一个阵列可以包括沿与阵列之间的方向正交并且与第一维度正交的阵列的第二不同维度间隔开的多个电极，其中至少一个电压源可以被配置为对这些电极施加不同的电势，任选地不同的DC电势，以创建将离子限制在阵列之间的空间中或第二维度方向上的势阱或势垒。这些电极可以在第一维度的所述方向和/或第二维度的所述方向上创建二次DC电势。

所述第一和第二阵列大体上可以为平面阵列。阵列的平面可以平行于出口轴和/或入口轴。

第一和第二阵列可以为弯曲的以在其间提供弧形离子捕获区域；和/或第一和第二阵列可以为弯曲的或具有另一种非线性结构以在其间提供空心圆柱体或其它形状的空心管形式的离子捕获区域。

弧形捕获区域或空心管的曲率半径可以正交于离子入口轴和/或离子出口轴。

第一和/或第二离子推动设备可以驱动离子沿周向围绕弧形空心管。

离子捕获区域可以被适配和配置为保持在选自由以下组成的组的压力下：≥1×10^-2毫巴；≥5×10^-2毫巴；≥0.1毫巴；≥0.5毫巴；≥1毫巴；≥5毫巴；≥10毫巴；≥15毫巴；≥20毫巴；≥30毫巴；≥40毫巴；≥50毫巴；≥100毫巴；≥250毫巴；和≥50毫巴。

本发明的第一方面还提供了一种质谱和/或离子迁移谱仪，包括如本文所述的离子捕获系统和布置在离子捕获系统下游用于接收来自离子捕获系统出口的离子的离子接收装置。

谱仪可以包括控制器、电压源以及电路，其被布置并配置为将离子脉冲离开电子捕获区域并进入离子接收装置。

实施方案的离子捕获区域在正交于出口轴上具有比平行于出口轴上大的离子捕获容量。如此，离子捕获区域能够具有相对高的充电容量同时使离子平行于离子出口轴的空间扩散最小化，且由此使射入离子接收装置的方向上的离子的空间扩散最小化。因此，离子可以由离子捕获区域作为相对较小的包在平行于出口轴的维度上射入离子接收装置。

离子接收装置可以为布置用于接收离子捕获区域出口的离子并将这些离子按照理化性质分开的离子分离装置；和/或离子接收装置可以被适配和配置为接收通过随时间打开和关闭的入口栅极的离子，任选地，其中栅极的打开与离子从离子捕获区域射出的一个以上周期同步。

离子分离装置可以被配置为按照所述理化性质沿与离子捕获区域的所述出口轴平行和/或同轴的离子分离轴将离子分开；任选地，其中分离装置为离子迁移分离器且理化性质为离子迁移率。

如上所述，实施方案的离子捕获区域使离子平行于离子出口轴的空间扩散最小化，且由此使射入离子分离装置的方向上的离子的空间扩散最小化。因此，离子可以由离子捕获区域作为相对较小的包在平行于出口轴的维度上射入离子分离装置，且由此离子分离装置的分辨率相对较高。

离子迁移分离器可以被配置为驱动离子通过气体以使离子根据沿(或者所述的)离子分离轴的离子迁移率而分开。谱仪可以通过脉冲离子进入离子迁移分离器而驱动离子通过气体，以使它们沿分离轴行进通过气体。可选地，或此外，可以沿用于驱动离子通过气体的离子分离装置布置DC电压梯度。可选地，或此外，对于以上选择，DC电压可以沿用于驱动离子通过气体的离子分离装置行进。

谱仪可以被配置为脉冲离子离开离子捕获区域进入离子分离装置。

如上所述，分离装置用来对离子进行分离的理化性质可以为离子迁移率，诸如通过气体填充漂移时间离子迁移分离器的漂移时间离子迁移率。然而，还考虑了其它理化性质，如质荷比。

可选地，还考虑的是，离子接收装置可以为离子阱、离子导向器、离子探测器、质量分析仪或其它形式的离子迁移率分析仪。

离子捕获区域和离子接收装置可以被配置为保持在选自由以下组成的组的压力下：≥1×10^-2毫巴；≥5×10^-2毫巴；≥0.1毫巴；≥0.5毫巴；≥1毫巴；≥5毫巴；≥10毫巴；≥15毫巴；≥20毫巴；≥30毫巴；≥40毫巴；≥50毫巴；≥100毫巴；≥250毫巴；和≥50毫巴。

谱仪可以包括用于对所述离子捕获区域提供离子的离子源，其中所述离子可以为热不稳定离子。

离子可以具有不同的离子迁移率(诸如通过漂移管中的气体的不同的迁移率)。

还考虑的是，离子捕获区域可以不必要被适配和配置为保持在≥0.01毫巴的压力下。

因此，本发明的第一方面还提供了一种离子捕获系统，包括：

多个电极；

连接到所述电极的一个以上的电压源，其中所述电极和所述一个以上的电压源适配并配置为在使用中提供离子捕获区域；

用于在使用中沿着离子入口轴接收离子到所述离子捕获区域中的离子入口；

用于在使用中沿着离子出口轴从所述离子捕获区域喷射离子的离子喷射系统，其中所述电极和电压源被配置为使得所述离子捕获区域正交于所述入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸大于所述离子捕获区域平行于所述入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸；和

还包括下述的一个以上：

(i)离子推动系统，用于在所述离子捕获区域内正交于所述入口轴和/或出口轴推动离子，使得所述离子在所述离子捕获区域内扩散；和/或

(ii)被布置在所述离子捕获区域上游的离子偏转器，其中所述离子偏转器被配置为使得至少一些朝向所述离子捕获区域行进的所述离子发生偏转，从而使得进入所述离子捕获区域的离子在不同位置进入所述离子捕获区域；和/或

(iii)被布置在所述离子捕获区域的上游或入口处的离子偏转器，其中所述离子偏转器被配置为使得至少一些朝向所述离子捕获区域行进或进入所述离子捕获区域的所述离子发生偏转，使得离子正交于所述出口轴和/或入口轴以不同的速度进入所述离子捕获区域，从而使所述离子在正交于所述入口轴和/或出口轴的方向上在所述离子捕获区域内进行扩散。

从第二方面，本发明提供了一种离子捕获系统，包括：

多个电极；

连接到所述电极的一个以上的电压源，其中所述电极和所述一个以上的电压源适配并配置为在使用中提供离子捕获区域；

用于在使用中在所述离子捕获区域的一端接收离子的离子入口和用于从所述离子捕获区域的另一端喷射离子的离子出口；

离子推动系统，被适配和配置为沿着所述离子捕获区域从所述离子入口到所述离子出口平移至少一个瞬态DC电压用于沿着所述离子捕获区域的推动，其中所述离子推动装置被适配和配置为控制所述瞬态DC电压，使得所述瞬态DC电压向所述离子施加的朝向所述出口的力随着所述瞬态DC电压向所述出口行进时减小；和

控制系统，其适配和配置为控制所述一个以上电压源以向所述电极施加一个以上电压，以在所述瞬时DC电压到达所述离子出口时防止离子从所述离子捕获区域被所述至少一个瞬态DC电压喷射出。

该离子捕获系统内的瞬态DC电压在填充离子捕获区域期间和在从离子出口射出任何离子之前将离子分散在离子捕获区域内。这缓解了在填充离子捕获区域期间离子入口附近的空间电荷效应。由于瞬态DC电压施加到离子上的力随着瞬态DC电压向出口行进而减小，因此瞬态DC电压在离子捕获区域的出口区域不引起过度的空间电荷效应。

离子导向器是已知的，其中使用瞬态DC电压使离子沿离子导向器行进。然而，与本发明的第二方面相反，瞬态DC电压在装置的出口处从装置射出离子。

本发明第二方面的离子推动装置可以被配置为推动离子从离子捕获区域的一端向离子捕获区域的另一端行进，其中离子推动装置被构造为沿离子捕获区域的端部之间的长度的至少z％推动离子，其中z选自由75；80；85；90和95组成的组。

瞬态DC电压的幅度可能会随着从离子入口向离子出口行进而减小、逐渐减小或衰减。

可选地，可以控制瞬态DC电压沿离子捕获区域的速度，使得当瞬态DC电压向出口行进时，其施加于离子的朝向出口的力减小。

离子捕获区域可以是细长的，任选地在离子捕获区域的一端具有离子入口和在离子捕获区域的另一端具有离子出口，在使用中通过离子出口离开。

离子捕获区域平行于入口轴延伸的最大尺寸大于离子捕获区域正交于入口轴延伸的最大尺寸；和/或离子捕获区域在平行于入口轴的平面内延伸的最大离子捕获面积可以大于离子捕获区域在正交于入口轴的平面内延伸的最大离子捕获面积。

离子捕获系统可以被配置为基本上不会在离子捕获区域中使离子破碎或反应。

控制器可以被布置和配置为：控制一个以上电压源以向电极施加电压，使得离子在离子填充期间能够通过离子入口被接收到离子捕获区域并在离子捕获区域中被捕获；以及控制离子推动系统，使得瞬态DC电压在离子填充期间沿离子捕获区域行进。

根据本发明第二方面的离子捕获系统可以包括关于本发明的第一方面描述的任何可选特征。

例如，本文所述的离子捕获系统可以具有离子捕获区域和一个以上电压源，离子捕获区域具有第一电极阵列、与第一电极阵列间隔开的第二电极阵列，一个以上电压源连接到所述电极阵列用于对电极施加一个以上电压，以将离子限制在电极阵列之间的空间中。

本发明的第二方面还提供一种质谱仪或离子迁移谱仪，包括：如上所述的离子捕获系统；和布置在离子捕获系统下游用于从离子捕获系统的出口接收离子的离子接收装置。

根据本发明第二方面的离子捕获系统和/或离子接收装置可以包括与本发明第一方面的离子捕获系统和/或离子接收装置相关的任何可选特征。

本发明的第一方面还提供了一种捕获离子的方法，包括：

提供如上所述的离子捕获系统；

向多个电极施加电压以提供离子捕获区域；

沿着离子入口轴将离子接收到所述离子捕获区域中并且防止离子离开所述离子捕获区域，同时执行一个以上以下步骤：

(i)使用离子推动系统在所述离子捕获区域内正交于入口轴和/或出口轴推动离子，使得所述离子在所述离子捕获区域内扩散；和/或

(ii)使用所述离子偏转器使朝向所述离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得进入所述离子捕获区域的离子在不同位置进入所述离子捕获区域；和/或

(iii)使用所述离子偏转器使朝向所述离子捕获区域行进或进入所述离子捕获区域的离子发生偏转，使得离子正交于所述出口轴和/或所述入口轴以不同的速度进入所述离子捕获区域，使得所述离子在正交于所述入口轴和/或出口轴的方向上在所述离子捕获区域内扩散。

该方法可以包括操作离子捕获系统以执行关于本发明第一方面的系统所描述的任何特征。

本发明的第一和第二方面还提供了质谱或离子迁移光谱的方法，包括如本文所述的离子捕获和如本文所述的将离子从离子捕获区域射入到离子接收装置中的方法。

在本文所述的本发明的实施方案中，可以在离子阱填充期间施加驱动力，以在捕获期间更均匀地分布离子。这可以减轻局部电荷积累，否则可能导致离子损失和/或离子分析中的失真，诸如，离子迁移漂移时间和峰形。

可以在相对于离子捕获区域延伸的方向的正交方向(或者在环形捕获区域的特殊情况下，在正交或正切方向)上引入离子束。这使本文所述的驱动力在整个捕获体积内正确地分布离子。

离子可以从离子捕获区域释放到IMS装置中。

离子束可以正交于捕获区域延伸的方向进入离子捕获区域和/或离子捕获区域可以在正交于迁移率分离方向的方向上延伸。

本文所述的谱仪可以包括选自由以下组成的组的离子源：(i)电喷雾电离(“ESI”)离子源；(ii)大气压力光电离(“APPI”)离子源；(iii)大气压力化学电离(“APCI”)离子源；(iv)基质辅助激光解吸电离(“MALDI”)离子源；(v)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(vi)大气压力电离(“API”)离子源；(vii)硅上解吸电离(“DIOS”)离子源；(viii)电子碰撞(“EI”)离子源；(ix)化学电离(“CI”)离子源；(x)场电离(“FI”)离子源；(xi)场解吸(“FD”)离子源；(xii)电感耦合等离子体(“ICP”)离子源；(xiii)快原子轰击(“FAB”)离子源；(xiv)液相次级离子质谱(“LSIMS”)离子源；(xv)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(xvi)镍-63放射性离子源；(xvii)大气压力基质辅助激光解吸电离离子源；(xviii)热喷雾离子源；(xix)大气采样辉光放电电离(“ASGDI”)离子源；(xx)辉光放电(“GD”)离子源；(xxi)撞击器离子源；(xxii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xxiii)激光喷雾电离(“LSI”)离子源；(xxiv)超声喷雾电离(“SSI”)离子源；(xxv)基质辅助入口电离(“MAII”)离子源；以及(xxvi)溶剂辅助入口电离(“SAII”)离子源；(xxvii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(xxviii)激光烧蚀电喷雾电离(“LAESI”)离子源；和(xxix)表面辅助激光解吸电离(“SALDI”)。

谱仪可以包括一个以上连续或脉冲离子源。

谱仪可以包括一个以上离子导向器。

谱仪可以包括一个以上选自由以下组成的组的碰撞、裂解或反应池：(i)碰撞诱导解离(“CID”)裂解装置；(ii)表面诱导解离(“SID”)裂解装置；(iii)电子转移解离(“ETD”)裂解装置；(iv)电子捕获解离(“ECD”)裂解装置；(v)电子碰撞或撞击解离裂解装置；(vi)光诱导解离(“PID”)裂解装置；(vii)激光诱导解离裂解装置；(viii)红外辐射诱导解离装置；(ix)紫外辐射诱导解离装置；(x)喷嘴-撇渣器界面裂解装置；(xi)源内裂解装置；(xii)源内碰撞诱导解离裂解装置；(xiii)热源或温度源裂解装置；(xiv)电场诱导裂解装置；(xv)磁场诱导裂解装置；(xvi)酶消化或酶降解裂解装置；(xvii)离子-离子反应裂解装置；(xviii)离子-分子反应裂解装置；(xix)离子-原子反应裂解装置；(xx)离子-亚稳离子反应裂解装置；(xxi)离子-亚稳分子反应裂解装置；(xxii)离子-亚稳原子反应裂解装置；(xxiii)用于使离子相互反应以形成加合物或产物离子的离子-离子反应装置；(xxiv)用于使离子相互反应以形成加合物或产物离子的离子-分子反应装置；(xxv)用于使离子相互反应以形成加合物或产物离子的离子-原子反应装置；(xxvi)用于使离子相互反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳离子反应装置；(xxvii)用于使离子相互反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳分子反应装置；(xxviii)用于使离子相互反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳原子反应装置；以及(xxix)电子电离解离(“EID”)裂解装置。

谱仪可以包括选自由以下各项组成的组的质量分析器：(i)四极质量分析器；(ii)2D或线性四极质量分析器；(iii)保罗(Paul)或3D四极质量分析器；(iv)彭宁阱质量分析器(Penning trap mass analyser)；(v)离子阱质量分析器；(vi)磁扇形质量分析器；(vii)离子回旋共振(“ICR”)质量分析器；(viii)傅里叶变换离子回旋共振(“FTICR”)质量分析器；(ix)被布置成用于生成具有方形对数电势分布的静电场的静电质量分析器；(x)傅里叶变换静电质量分析器；(xi)傅里叶变换质量分析器；(xii)飞行时间质量分析器；(xiii)正交加速飞行时间质量分析器；(xiv)线性加速飞行时间质量分析器。

谱仪可以包括一个以上能量分析器或静电能量分析器。

谱仪可以包括一个以上离子检测器。

谱仪可以包括从由以下各项组成的组中选择的一个以上质量过滤器：(i)四极质量过滤器；(ii)2D或线性四极离子阱；(iii)保罗或3D四极离子阱；(iv)彭宁离子阱；(v)离子阱；(vi)磁扇形质量过滤器；(vii)飞行时间质量过滤器；以及(viii)维恩过滤器(Wienfilter)。

谱仪可以包括用于脉冲离子的装置或离子栅极；和用于将基本上连续的离子束转换成脉冲离子束的装置。

谱仪可以包括：C-阱和质量分析器，该质量分析器包括形成具有方形对数电势分布的静电场的外部桶形电极和同轴内部心轴形电极，其中，在第一操作模式下，离子被传输至C-阱并且之后被注入质量分析器中，并且其中，在第二操作模式下，离子被传输至C-阱并且之后被传输至碰撞池或者电子转移解离装置，其中，至少一些离子被裂解成碎片离子，并且其中，在被注入到质量分析器中之前，所述碎片离子则被传输至C-阱。

谱仪可以包括堆叠的环形离子导向器，所述环形离子导向器包括多个电极，所述多个电极中的每一个电极具有孔，在使用中通过所述孔传输离子，并且其中，所述电极的间距沿着离子路径的长度而增大，并且其中，离子导向器上游段的电极中的孔具有第一直径，并且其中，离子导向器下游段的电极中的孔具有小于第一直径的第二直径，并且其中，在使用中将AC或RF电压的相反相位施加到连续的电极上。

谱仪可以包括被布置并且适配成用于向电极提供AC或RF电压的装置。AC或RF电压任选地具有从由以下各项组成的组中选择的幅度：(i)约＜50V峰到峰；(ii)约50-100V峰到峰；(iii)约100-150V峰到峰；(iv)约150-200V峰到峰；(v)约200-250V峰到峰；(vi)约250-300V峰到峰；(vii)约300-350V峰到峰；(viii)约350-400V峰到峰；(ix)约400-450V峰到峰；(x)约450-500V峰到峰；以及(xi)＞约500V峰到峰。

AC或RF电压可以具有选自由以下各项组成的组的频率：(i)＜约100kHz；(ii)约100-200kHz；(iii)约200-300kHz；(iv)约300-400kHz；(v)约400-500kHz；(vi)约0.5-1.0MHz；(vii)约1.0-1.5MHz；(viii)约1.5-2.0MHz；(ix)约2.0-2.5MHz；(x)约2.5-3.0MHz；(xi)约3.0-3.5MHz；(xii)约3.5-4.0MHz；(xiii)约4.0-4.5MHz；(xiv)约4.5-5.0MHz；(xv)约5.0-5.5MHz；(xvi)约5.5-6.0MHz；(xvii)约6.0-6.5MHz；(xviii)约6.5-7.0MHz；(xix)约7.0-7.5MHz；(xx)约7.5-8.0MHz；(xxi)约8.0-8.5MHz；(xxii)约8.5-9.0MHz；(xxiii)约9.0-9.5MHz；(xxiv)约9.5-10.0MHz；以及(xxv)＞约10.0MHz。

谱仪可以包括位于离子源上游的色谱分离装置或者其它分离装置。色谱分离装置可以包括液相色谱装置或者气相色谱装置。可选地，分离装置可以包括：(i)毛细管电泳(“CE”)分离装置；(ii)毛细管电色谱(“CEC”)分离装置；(iii)基本上刚性的基于陶瓷的多层微流体基质(“瓷砖”)分离装置；或者(iv)超临界流体色谱分离装置。

离子导向器可以被保持在选自由以下各项组成的组的压力下：(i)＜约0.0001毫巴；(ii)约0.0001-0.001毫巴；(iii)约0.001-0.01毫巴；(iv)约0.01-0.1毫巴；(v)约0.1-1毫巴；(vi)约1-10毫巴；(vii)约10-100毫巴；(viii)约100-1000毫巴；以及(ix)＞约1000毫巴。

在电子转移解离裂解装置中可以对分析物离子进行电子转移解离(“ETD”)裂解。在离子导向器或裂解装置中可以引起分析物离子与ETD试剂离子相互作用。

可以提供色谱检测器，其中色谱检测器包括：任选选自由以下组成的组的破坏性色谱检测器：(i)火焰离子化检测器(FID)；(ii)基于气溶胶的检测器或纳米量分析物检测器(NQAD)；(iii)火焰光度检测器(FPD)；(iv)原子发射检测器(AED)；(v)氮磷检测器(NPD)；和(vi)蒸发光散射检测器(ELSD)；或任选选自由以下组成的组的非破坏性色谱检测器：(i)固定或可变波长UV检测器；(ii)热导检测器(TCD)；(iii)荧光检测器；(iv)电子捕获检测器(ECD)；(v)电导率监测器；(vi)光致电离检测器(PID)；(vii)折射率检测器(RID)；(viii)无线电流量检测器；和(ix)旋光检测器。

谱仪可以在各种操作模式下操作，操作模式包括质谱(“MS”)操作模式；串联质谱(“MS/MS”)操作模式；其中母体或前体离子可选地被裂解或反应以产生碎片或产物离子，以及不被裂解或反应或被分裂或反应程度较小的操作模式；多级反应监测(“MRM”)操作模式；数据依赖性分析(“DDA”)操作模式；数据独立分析(“DIA”)操作模式；量化操作模式或离子迁移光谱(“IMS”)操作模式。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述各种实施例，其中：

图1示出了具有离子捕获区域的现有技术的堆叠的环形离子导向器的示意图；

图2示出了可以根据本发明使用的离子阱的几何结构的示例；

图3示出了在陷阱填充周期期间离子群如何在扩展捕获区域内分布的SIMION模型；

图4示出了与图3所示相似的曲线图，除了各种不同的离子捕获压力；

图5示出了与图3所示相似的曲线图，除了四种不同的离子填充速率；

图6示出了作为离子在离子阱维度中的总扩散的函数的离子阱中的峰值电荷密度；

图7示出了对于在图2的阱结构中的四种不同峰值电荷密度有效温度作为质荷比的函数的曲线图；

图8示出了本发明的一种具有环形离子限制体积的实施方案；

图9示出了本发明的另一种实施方案，其具有离子在其周围旋转的环形反向离子漏斗和环形离子捕获区域；

图10示出了在结构上类似于图9所示的本发明的另一种实施方案，除了离子不在离子漏斗周围旋转；

图11示出了本发明的另一种实施方案，其包括正交离子分布区域和环形离子捕获区域；

图12A和12B示出了以不同模式操作的离子偏转器的示意图；

图13示出了以另一种模式操作的离子偏转器的示意图；和

图14A-14C示出了本发明的其它实施方案，其中离子沿着细长的离子捕获区域的纵向轴线被驱动。

具体实施方式

图1示出了现有技术的具有离子捕获区域的堆叠环离子导向器1的示意图。所述离子导向器由多个带孔的电极形成，带孔的电极的孔对齐以形成通过离子导向器的离子引导通道。将射频AC电压的相反相位施加到相邻的环形电极，以便形成在离子导向器内径向限制离子的RF伪电势阱。通过向离子导向器中的电极施加适当的DC电势，在离子导向器中形成轴向DC势阱。图1中的下图的实线示出了作为沿离子导向器的距离L的函数的施加到电极的DC电压。可以看出，在离子导向器的端部处的电极施加相同的DC电压，但是在离子导向器的端部之间的电极子集上施加较低的DC电压。图1中的下图的虚线示出了作为施加到电极的DC电压结果的沿离子导向器布置的DC电势分布。可以看出，产生将离子限制在离子导向器的狭窄捕获区域的DC阱。

离子导向器可以耦合到离子迁移分离(IMS)装置，以便改善仪器的占空比。例如，离子可以从上游离子源积聚在离子导向器的捕获区域中，然后脉冲到IMS装置中。虽然离子在IMS装置中分离，但是可能不希望允许进一步离子进入IMS装置。在此期间，来自上游离子源的离子积聚在离子导向器的捕获区域中，使得它们不会丢失，从而提高了仪器的占空比。这些离子随后可以被脉冲进入IMS装置。在每个IMS分离循环开始时，离子因此可以积聚在捕获区域中并且周期性地释放到下游离子迁移分离区域中。

然而，图1所示的离子捕获区域具有相对低的离子捕获体积，因此具有相对低的空间电荷容量。为了提供相对大的离子捕获体积，以最小化局部电荷密度，离子捕获区域的尺寸可以在一个或多个维度上延伸。然而，如果离子捕获体积在与IMS装置中的离子迁移分离方向相同的方向上延伸，那么在离子迁移分离之前离子必须在离子迁移分离的方向上重新聚集以保持高离子迁移测量的分辨率。另一方面，如果离子捕获区域在与IMS装置中的离子分离方向正交的方向上延伸，则捕获在离子捕获区域中的离子云在离子迁移分离的方向上具有最小的空间扩散。这将允许离子从离子捕获区域快速且有效地转移到离子分离区域，因为它在将离子脉冲到IMS装置之前最小化或否定了将离子重新聚集在离子迁移分离方向上的要求。

图2示出了已经延伸以减少空间电荷效应的离子阱的几何结构的示例。离子阱包括与相应的平行板电极的下部阵列间隔开的平行板电极2的上部阵列，以便在阵列之间形成离子引导区。平板电极被布置成使得它们的平面在从上部阵列到下部阵列的方向上延伸。侧平板电极3布置在离子阱的两侧，以便在上部阵列和下部阵列之间延伸。每个侧平板电极3具有与上部阵列和下部阵列中的平板电极2的平面正交的平面。通过将RF电压的相反相位施加在z维度上彼此相邻的电极板2上，离子能够被限制在y维度的电极上部和下部阵列之间。离子可以通过向侧平板电极3施加直流电压而被限制在x维度中。通过向上部和/或下部阵列中的平板电极2施加不同的DC电压，可以将离子捕获在z维度上，以便以形成在x维度上延伸的DC势阱。X维度上的离子捕获区域的尺寸可以在相对大的距离上延伸，以便提供相对较大的离子捕获体积。平板电极2可以弯曲以形成弧形离子捕获区域。

如图2所示，离子沿z轴进入离子捕获区域并在固定的时间段内作为连续的离子流4。入射离子束的横截面小于离子捕获区域的尺寸。在离子捕获区域内没有任何主动驱动离子的情况下，离子阱填充期间由离子占据的体积与捕获区域内的气体中离子的扩散速率、离子的初始动能、离子的迁移率和由于捕获的离子云中的空间-电荷相互作用而被离子所经历的驱动力相关。

图3显示了在阱填充周期期间离子群体如何在延伸的捕获区域内分布的SIMION模型。该模型基于图2所示的布置。如图2所示，其中平板电极2被认为具有0.5mm的厚度，在z维度上平板电极2之间的间隙被认为是1mm，并且在y维度上平板电极2之间的离子限制区域被认为是5mm。施加到平板电极2的用于将离子限制在y维度中的RF电压被模拟为具有125V(0-峰值)的幅度和2.5MHz的频率，相反的相位施加到相邻的电极2。正离子捕获被模拟。通过对阵列中的所有平板电极2施加相同的DC电压来模拟z维中的离子捕获，除了z维度上的8个连续的平板电极2，其维持在低于其他平板电极2的20V DC电压。x维度上的装置尺寸模拟为不受约束，从而可以在不同条件下检查离子在该方向上的自然分布。装置内的气体被模拟为2.5Torr的氮气。模拟质荷比为500的离子，每20μs在离子捕获区域的中心处产生。将离子模拟为携带20,000电荷，从而给出1000电荷每μs的平均速率。

在图3中，Y坐标表示x维度上每毫米的电荷数，X坐标表示离子阱中沿x轴的位置(mm)，其中0mm表示沿离子阱的x轴的中心位置。图3显示了三个图，表示离子填充持续时间为1毫秒(内部图)、5毫秒(中间图)和10毫秒(外部图)之后的离子阱中离子的分布。图3中的图显示，由于空间-电荷排斥效应的增加，随着离子累积时间的增加，离子填充越来越多的离子捕获体积。然而，还可以看出，当连续离子束进入捕获区域时发生的最大电荷密度随着捕获周期的长度增加而继续增加。因此，在这些条件下，离子捕获体积的该局部区域以比驱动离子离开该区域的空间-电荷排斥更快的速度填充以填充离子捕获体积。因此，该区域中的局部电荷密度增加，并且由于与RF径向限制场的相互作用，离子可能解离或变得不稳定。例如，在这个例子中，在离子填充时间为10毫秒的时候，离子仅分布于离子捕获体积(沿着x轴)约60毫米，而不管离子捕获体积在x-维度上做的有多大。

图4示出离子填充持续时间为10ms且离子捕获压力为2.5Torr(最上面的图)的与图3中相同的曲线。然而，图4还显示了离子捕获压力为1Torr(中间图)和0.2Torr(最下图)的离子填充持续时间为10ms之后的离子分布。从图4中可以看出，当捕获体积保持在较低压力时，在10ms时离子分布于较大体积的离子阱(在阱的x-维度上)。因此，离子捕获区域的峰值电荷密度在较低离子捕获压力下降低。因此，当离子阱在较高压力下操作时，例如为了将它们与漂移时间IMS装置耦合，离子需要更长时间才能分布在整个离子捕获体积中，因此峰值电荷密度相对较高。

图5示出了与图3所示相似的图，除四种不同的离子填充速率外。图5示出了在10ms的离子填充持续时间和2.5Torr的氮气的离子捕获压力下四种不同的离子填充速率下阱中的离子分布。在四种不同的离子填充速率下引入离子捕获区域的电荷总数、10ms时的峰值电荷密度以及10ms后的离子阱的x维度中的离子扩散如下表所示。图5已经按照强度进行了缩放，从而可以更容易地看到离子在离子阱的X方向上的扩散差异。

引入离子捕获区域的电荷总数、峰值电荷密度和离子阱的x-维度中离子的扩散随着离子填充速率而增加。

图6绘出了图5的离子阱中的峰值电荷密度(电荷/mm)作为离子阱的x-维度中离子的总扩散(以mm为单位)的函数。从该图可以看出，随着离子的输入通量增加，最大电荷密度增加，并且能够以比增加的空间电荷效应更快的速率驱动离子填充可用的捕获体积。

如上所述，高电荷密度可能导致离子的加热。为了估计图2的离子阱结构中的峰值电荷密度的加热效应，使用SIMION来利用与峰值电荷密度相对应的均匀电荷密度分布对该效应进行模拟。然后在从这些分布和平均动能得到的场中对离子轨迹进行模拟，并因此记录有效温度。所述有效温度根据TOLMACHEV ET AL，J Am Soc Mass Spectrom 2004,15,1616-1628中描述的方法计算得到。

图7示出了对于在图2的阱结构中的四种不同峰值电荷密度有效温度作为质荷比的函数的曲线图。四种电荷峰值电荷密度为：A＝7.13×10⁴电荷mm^-1，B＝2.85×10⁵电荷mm^-1，C＝5.34×10⁵电荷mm^-1，D＝7.13×10⁵电荷mm^-1。图7示出了由于离子和RF限制场之间的相互作用，离子阱内的峰值电荷密度的增加导致更高的有效温度。这种温度升高可能导致由于离子的离解而发生的离子损失。

还显示峰值电荷密度与离子的迁移率有关。对于相同的离子填充速率，低迁移率离子在离子阱内的扩散小于高迁移率离子，因此低迁移率离子种类的峰值电荷将更大。此外，与较低电荷状态的离子相似质荷比的多电荷离子将在捕获体积内更快地扩散，因此对于相同的填充速率，峰值电荷将较低。在实践中，入射离子束将由具有不同迁移率、质量和电荷状态范围的离子种类组成。

根据本发明的实施方案，离子阱内的局部电荷密度通过主动地驱动离子捕获区域内的离子或离子捕获区域外的离子而被最小化，使得离子相对更快地更均匀地分布在离子捕获体积内。这解决了相反将由离子阱内和IMS设备内的空间电荷效应引起的不利影响。

图8示出了本发明的一种实施方案。所述离子阱包括内部电极阵列6和外部电极阵列5，其在它们之间限定环形离子限制区域。图8仅示出了外部电极阵列5的一部分，以便更容易地看到离子路径，但是应当理解，外部阵列可以完全围绕内部电极阵列6的圆周延伸。将RF电压施加到电极阵列5、6上以将离子限制在它们之间的环形空间中。更具体地，每个阵列包括沿着装置的纵向轴线布置的多个电极，并且可以将RF电压的相反相位提供给每个阵列中的纵向相邻电极，以便将离子径向地限制在内部电极阵列和外部电极阵列之间。可以沿着装置的轴线向不同的电极施加不同的DC电压，以便限定沿轴线捕获离子的轴向DC捕获势阱。在所示实施方案中，轴向捕获电势是DC二次势阱。因此，该装置限定了用于捕获离子的离子捕获体积。内部阵列6和外部阵列5中的每一个包括围绕纵向轴线周向间隔开的多个电极，如下文进一步描述的那样使用。

在使用中，离子束沿着阱的纵向轴线被引导到离子阱中。可选地，离子可以与环形区域切向地进入阱，即正交于纵向轴线。DC电势被连续地施加到围绕装置的纵向轴线周向间隔开的不同的电极上，以便当它们进入离子捕获区域时围绕环形区域周向驱动离子。该驱动力推动离子远离捕获区域内的离子束进入点，并将离子分布在捕获体积周围。

与具有较低迁移率的离子相比，具有高迁移率的离子将以较高速度围绕环形体积驱动。离子阱的环形设计允许高迁移率的离子绕离子捕获体积周向驱动多次，使得较低迁移率的离子有效分布，并且使任何局部区域的电荷密度最小化。这与其它离子阱配置相反，如图2所示，其中在x方向上施加驱动力可以将靠近侧平板电极3的高迁移率的离子集中，因此可能导致电荷密度的增加。

图9示出了本发明的另一实施方案，其可用于有效地填充环形捕获体积。所述装置包括离子喷射部分、环形反向离子漏斗7和环形离子捕获区域8。离子喷射部分形成用于将离子引导到反向离子漏斗部分7中的离子导向器。所述反向离子漏斗部分包括内部电极阵列和外部电极阵列，其以与图8的装置相似的方式在其间限定环形离子限制区域，除了环形区域沿着装置在从装置的入口到出口的方向上具有逐渐更大的半径之外。将RF电压施加到电极阵列，以将离子限制在它们之间的环形空间中。每个阵列可以包括沿着器件的纵向轴线布置的多个电极，并且RF电压的相反相位可以被提供给每个阵列中的纵向相邻的电极，以便将离子径向地限制在内部电极阵列和外部电极阵列之间。不同的DC电压可以沿着装置的轴线施加到不同的电极，以便限定轴向DC电势以将离子沿轴线推向离子捕获区域8。内部电极阵列和外部电极阵列中的每一个可以包括多个围绕纵向轴线周向间隔开的电极，以用于下面进一步描述。

在使用中，离子束沿着阱的纵向轴线被引导到离子阱中。可选地，离子可以与环形区域切向地进入阱，即正交于纵向轴线。离子然后进入反向离子漏斗部分7。DC电势被连续地施加到围绕反向离子漏斗部分7的纵向轴线周向间隔开的不同的电极上，以便当离子进入反向离子漏斗部分7时围绕环形区域周向驱动离子。该驱动力促使离子离开离子束在反向离子漏斗部分7内的入口点，并将离子循环在环形区域周围。离子然后进入环形离子捕获区域8，其包括在其间限定环形离子限制区域的内部电极阵列和外部电极阵列。将RF电压施加到电极阵列，用于在它们之间的环形空间中径向限制离子。每个阵列可以包括沿着装置的纵向轴线布置的多个电极，并且可以将RF电压的相反相位提供给每个阵列中的纵向相邻的电极，以便将离子径向地限制在内部电极阵列和外部电极阵列之间。可以沿着装置的轴线向不同的电极施加不同的DC电压，以便限定用于沿着离子捕获区域8的轴线轴向捕获离子的轴向DC电势。一旦离子从反向离子漏斗7进入环形离子捕获区域8，离子不断围绕装置的纵向轴线旋转，从而以与图8中的实施方案类似的方式将电荷密度分布在离子捕获区域8内。

图10示出了在结构上类似于图9所示的本发明的另一实施方案，除了内部电极阵列和外部电极阵列不需要(尽管可能)包括围绕纵向轴线周向间隔开的电极，用于围绕纵向轴线旋转离子。相反，在图10的实施方案中，当连续离子束进入反向漏斗区域时，连续离子束通过分段的偏转电极以圆周运动偏转。更具体地，离子束在进入装置之前基本上平行于装置的纵向轴线行进。然后，偏转电极在离子进入设备的过程中或离开该轴之前使离子偏离该轴。离子在与轴线正交的方向上偏转，但是保持沿轴线的速度分量，使得离子继续进入反向离子漏斗部分。虽然离子总是与轴线正交偏转，但是离子偏转的正交方向随着时间而变化，使得在不同时间进入装置的离子通过反向漏斗部分沿着不同的路径行进并到达环形捕获区域的不同区域。离子偏转的正交方向可以随着时间的推移围绕纵向轴线连续地或以阶梯方式旋转。在离子阱的填充时间期间，离子偏转的正交方向可以围绕纵向轴线旋转至少一次。可以通过围绕轴线设置偏转电极并在不同时间给这些电极供给能量使得离子偏转的正交方向随时间变化来实现正交偏转。图10的实施方案能够以大体上独立于离子的迁移率的方式在环状捕获体积周围分布离子。

图11示出了本发明的另一实施方案。该实施方案包括顺序布置的离子隧道离子导向器12、正交离子分布区域9和环形离子捕获区域8。离子偏转器10可以设置在离子隧道离子导向器和正交离子分布区域9之间。离子隧道离子导向器包括多个有孔电极。正交离子分布区域9可以包括第一构件14，在其中具有孔并且布置在纵向轴线处以允许离子通过。正交离子分布区域9的第一构件还包括多个电极，其围绕孔以距孔不同的径向距离同心地布置。所述正交离子分布区域9包括在第一构件下游的第二构件16。所述第二构件包括在其间限定环形孔以允许离子通过的内部电极和外部电极。离子捕获区域布置在正交离子分布区域9的下游。所述离子捕获区域包括在其间限定环形离子限制区域的内部电极阵列和外部电极阵列。

在使用中，将RF电压施加到离子隧道离子导向器12的电极，以沿装置的纵向轴线将离子限制在离子导向器中。可以将RF电压的相反相位施加到离子导向器中的纵向相邻电极，以便径向地限制离子。离子沿着离子导向器并且穿过正交离子分布区域9的第一构件中的孔轴向行进。离子轴向进入正交离子分布区域9的第一和第二构件之间的区域。将RF电压施加到第一构件14的同心电极，RF或DC电压被至少施加到第二构件16的中心电极，使得离子被排斥地离开这些构件，并因此被轴向限制在第一和第二构件之间。因此，第二构件16的中心电极用作排斥离子远离其的离子阻塞电极。将不同的DC电压施加到正交离子分布区域9的第一构件上的同心电极上，以产生DC梯度而驱动离子径向向外驱动到正交离子分布区域9的第二构件16中的环形孔。可选地，DC电势可以连续地施加到第一构件上的连续同心电极，使得离子被径向向外驱动到正交离子分布区域9的第二构件中的环形孔。DC电势可以以这种方式沿着同心电极重复行进。因此，可以操作正交离子分布区域9以将离子均匀分布在装置内的环形上。

将电势施加到第一构件14和/或第二构件16和/或离子捕获区域8，以便推动离子通过正交离子分布区域9的第二构件中的环形孔并进入离子捕获区域8。将RF电压施加到离子捕获区域8中的电极阵列，用于将离子限制在它们之间的环形空间中。更具体地，每个阵列可以包括沿着装置的纵向轴线布置的多个电极，并且RF电压的相反相位可以被提供给每个阵列中的纵向相邻电极，以便将离子径向地限制在内部电极阵列和外部电极阵列之间。不同的DC电压沿着器件的轴线被施加到不同的电极，以便限定用于沿着轴线捕获离子的轴向DC捕获势阱。轴向捕获电势可以是DC二次势阱。因此，正交离子分布区域9能够使离子捕获区域8填充满离子，使得离子基本上均匀地分布在离子捕获区域内的环形周围。

如上所述，离子偏转器10可以设置在离子隧道离子导向器12和正交离子分布区域9之间。所述离子偏转器的实施方案示于图12A和12B中。

图12A示出了正交离子分布区域9内的DC电势表面和离子轨迹的示意图。这表明正交离子分布区域9径向向外驱动离子并且通过正交离子分布区域9的第二构件16中的环形孔。图12A还示出了可以设置在离子隧道离子导向器和正交离子分布区域9之间的离子偏转器10。所述离子偏转器10可以是分段的偏转电极，当离子束进入正交离子分布区域9时用于以圆周运动偏转离子束。更具体地，离子束在进入离子偏转器之前基本上平行于装置的纵向轴线行进。然后离子偏转器10的电极使离子偏离该轴线。离子在与轴线正交的方向上偏转，但是保持沿轴线的速度分量，使得离子继续进入正交离子分布区域9。虽然离子总是与轴线正交偏转，但是离子偏转的正交方向随着时间而变化，使得在不同时间进入离子偏转器的离子沿着不同路径穿过正交离子分布区域9行进并到达环形捕获区域的不同区域。离子偏转的正交方向可以随着时间的推移围绕纵向轴线连续地或以阶梯方式旋转。在离子阱的填充时间期间，离子偏转的正交方向可以围绕纵向轴线旋转至少一次。可以通过围绕轴线设置偏转电极并在不同时间给这些电极供给能量使得离子偏转的正交方向随时间变化来实现正交偏转。

图12B示出了操作离子偏转器10以便仅在捕获区域的一部分上分布离子的模式。在该模式中，施加到离子偏转器的电极上的电压随着时间而变化，使得离子仅沿与纵向轴线正交的单个轴线偏转。例如，可以将电压施加到离子偏转器，以便以正交于纵向轴线的单个维度扫描离子。这些离子然后进入正交离子分布区域9并被迫使径向向外，从而填充环形离子捕获区域的半圆形区域。

虽然已经描述了各种环形离子捕获区域，但是本发明不限于环形捕获区域。例如，关于图10和12描述的类型的离子偏转器可以使用非环形离子捕获区域以降低离子阱内的峰值电荷密度。

图13示出了本发明的一个实施方案的示意图，其中使用离子偏转器10来填充图2所述类型的离子阱。所述离子偏转器用于将进入离子阱的离子沿离子阱X轴偏转到不同位置。这可以通过随时间改变施加到离子偏转器的电极的电压来实现，使得沿着阱的X轴扫描离子。通过在填充离子阱期间动态地偏转入射离子束，可以显著地减少在填充阱期间观察到的局部空间电荷的增加，从而允许使用大得多体积的离子阱，并且能够实现更高的总空间-电荷容量。

图14A示出了对应于图2所示的布置的本发明的另一实施方案，除了其中离子阱在平行于入射离子束轴线的方向上延伸，并且其中离子沿与离子束平行的方向驱动以便沿离子阱更均匀地分布。如前所述，沿着离子阱向离子阱的侧面或端部驱动离子将导致离子集中在捕获区域的一侧或端部，导致在该区域处的局部电荷密度增加，特别是对于高迁移率的离子。然而，在图14A的实施方案中，这通过使用在从离子阱的入口至出口行进时幅度衰减的行进DC电势或波将离子从离子阱的入口朝向离子阱的出口驱动而稍微减轻(如图14B)。可选地，可以使用在从离子阱的入口到出口的方向上幅度衰减的非线性DC电势梯度(如图14C所示)从离子阱的入口向离子阱的出口驱动离子，导致与离子捕获区域的入口相比，捕获区域的出口处的驱动力降低。然而，即使使用这些改变的场，也难以在捕获体积内均匀地分布不同迁移率的离子。

虽然已经参考各种实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。

例如，偏转电极可用于控制离子阱的填充时间，以控制阱中的总空间电荷。在这种情况下，在填充时间内一段时间内，电极将离子束引导到捕获区域外的点。

Claims (23)

1.一种离子捕获系统，包括：

多个电极；

连接到所述电极的一个以上的电压源，其中所述电极和所述一个以上的电压源适配并配置为在使用中提供离子捕获区域，所述离子捕获区域被配置为在三维空间捕获离子；

用于在使用中沿着离子入口轴接收离子到所述离子捕获区域中的离子入口；

用于在使用中沿着离子出口轴从所述离子捕获区域喷射离子的离子喷射系统，其中所述电极和电压源被配置为使得所述离子捕获区域正交于所述入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸大于所述离子捕获区域平行于所述入口轴和/或出口轴延伸的最大尺寸；和

还包括下述的一个以上：

(i)离子推动系统，用于在所述离子捕获区域内正交于所述入口轴和/或出口轴推动离子，使得所述离子在所述离子捕获区域内扩散，其中所述离子捕获区域被适配并被配置为保持在≥0.01毫巴的压力下；和/或

(ii)被布置在所述离子捕获区域上游的离子偏转器，其中所述离子偏转器被配置为使得至少一些朝向所述离子捕获区域行进的所述离子发生偏转，从而使得进入所述离子捕获区域的离子在不同位置进入所述离子捕获区域；和/或

(iii)被布置在所述离子捕获区域的上游或入口处的离子偏转器，其中所述离子偏转器被配置为使得至少一些朝向所述离子捕获区域行进或进入所述离子捕获区域的所述离子发生偏转，使得离子正交于所述出口轴和/或入口轴以不同的速度进入所述离子捕获区域，从而使所述离子在正交于所述入口轴和/或出口轴的方向上在所述离子捕获区域内进行扩散。

2.根据权利要求1所述的系统，包括控制器和电子电路，被布置和配置为：控制所述一个以上的电压源以便向所述电极施加电压，使得在离子填充过程中，离子能够沿着所述入口轴被所述离子捕获区域接收并在所述离子捕获区域被捕获；并且其中所述控制器被布置和配置为：

(i)控制所述离子推动系统以在所述离子填充过程中推动离子在所述离子捕获区域内正交于所述入口轴和/或出口轴扩散；和/或

(ii)控制所述离子偏转器使得至少一些朝向所述离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得在所述离子填充过程中进入所述离子捕获区域的离子在不同位置进入所述离子捕获区域；和/或

(iii)控制所述离子偏转器使得至少一些朝向所述离子捕获区域行进或进入所述离子捕获区域的离子发生偏转，使得在所述离子填充过程中离子正交于所述出口轴和/或入口轴以不同的速度进入所述离子捕获区域，从而使所述离子在正交于所述入口轴和/或出口轴的方向上在所述离子捕获区域内扩散。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述离子推动系统被布置和配置为推动所述离子在对应于所述离子捕获区域的所述最大尺寸的尺寸上在所述离子捕获区域内扩散。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述离子推动系统被适配并配置为在跨越所述离子捕获区域上施加电势梯度，用于引起所述离子正交于所述入口轴和/或出口轴扩散；和/或

其中所述离子推动系统被适配和配置为沿着所述离子捕获区域平移至少一个瞬态DC电压，用于引起所述离子正交于所述入口轴和/或出口轴扩散；和/或

其中所述离子推动系统包括气泵，所述气泵适配并配置为产生用于引起所述离子正交于所述入口轴和/或出口轴扩散的气流。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述电势梯度是DC电势梯度。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述离子偏转器被配置为使得朝向所述离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得进入所述离子捕获区域的离子在不同位置(i)同时或(ii)不同时地进入所述离子捕获区域。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述离子偏转器被配置为通过随着时间改变离子沿着其进入所述离子捕获区域的平均轴，或在离子束或离子包中通过散焦、发散或分裂至少一些所述离子使离子发生偏转。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述离子偏转器包括至少一个电极和被适配并配置为向所述至少一个电极施加时变电势以进行使离子发生偏转的步骤的至少一个电压源。

9.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述离子偏转器包括布置在所述离子捕获区域上游的反向离子漏斗，所述反向离子漏斗包括至少一个内部电极和围绕所述至少一个内部电极并在其间限定离子引导路径的至少一个外部电极，其中所述离子引导路径具有在朝向所述离子捕获区域的方向上增加的横截面面积。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述离子偏转器被配置为当离子朝向所述离子捕获区域行进时引起离子绕至少一个内部电极旋转；或

其中所述离子偏转器被配置为使得离子沿着所述离子漏斗在轴向方向上行进，不绕所述至少一个内部电极旋转，并且使得在不同时间进入所述反向离子漏斗的离子沿着不同轴向离子路径行进。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子偏转器包括至少一个电极和至少一个电压源，所述至少一个电极被布置为与离子束轴径向间隔开，所述至少一个电压源被配置为向该至少一个电极施加至少一个电压，以便同时在正交于所述离子束轴的多个方向推动离子。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个电极至少部分地围绕所述离子束轴。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个电极包括布置在离所述离子束轴不同的径向距离处的多个电极，并且其中所述至少一个电压源被配置为将DC电势施加到这些电极，以便在径向向外的方向上产生静态DC电势梯度或沿径向向外的方向行进的行进DC电势势垒，以同时沿与所述离子束轴正交的多个方向推动离子。

14.根据权利要求11或13所述的系统，其中所述离子偏转器包括在所述离子束轴上布置在所述至少一个电极的下游的离子阻塞电极和用于向所述离子阻塞电极施加电压以排斥离子远离其的电压源。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述离子阻塞电极和所述至少一个电极配合以同时沿正交于所述离子束轴的多个方向推动离子。

16.一种质谱和/或离子迁移谱仪，其包括如前述权利要求中任一项所述的离子捕获系统和布置在所述离子捕获系统的下游用于从所述离子捕获系统的出口接收离子的离子接收装置。

17.根据权利要求16所述的谱仪，包括控制器、电压源和电路，其被布置和配置为将离子从所述离子捕获区域中脉冲出并进入所述离子接收装置。

18.根据权利要求16或17所述的谱仪，其中所述离子接收装置是离子分离装置，其被配置为从所述离子捕获区域的出口接收离子并根据物理化学性质将这些离子分离；和/或

其中所述离子接收装置被适配和配置成接收通过随时间而打开和关闭的入口栅极的离子。

19.根据权利要求18所述的谱仪，其中所述栅极的打开与所述离子捕获区域喷射离子的一个以上周期同步。

20.根据权利要求18所述的谱仪，其中所述离子分离装置被配置为根据所述物理化学性质沿着平行于所述离子捕获区域的所述出口轴和/或与所述离子捕获区域的所述出口轴同轴的离子分离轴分离所述离子。

21.根据权利要求20所述的谱仪，其中所述离子分离装置是离子迁移分离器，并且所述物理化学性质是离子迁移率。

22.根据权利要求16所述的谱仪，其中所述离子捕获区域和/或离子接收装置被配置为保持在选自由以下压力组成的组的压力：≥1×10^-2毫巴；≥5×10^-2毫巴；≥0.1毫巴；≥0.5毫巴；≥1毫巴；≥5毫巴；≥10毫巴；≥15毫巴；≥20毫巴；≥30毫巴；≥40毫巴；≥50毫巴；≥100毫巴和≥250毫巴。

23.一种捕获离子的方法，包括：

提供如权利要求1-15中任一项所述的离子捕获系统；

向多个电极施加电压以提供离子捕获区域；

沿着离子入口轴将离子接收到所述离子捕获区域中并且防止离子离开所述离子捕获区域，同时执行以下一个以上步骤：

(i)使用离子推动系统以在所述离子捕获区域内正交于入口轴和/或出口轴推动离子，使得所述离子在所述离子捕获区域内扩散；和/或

(ii)使用离子偏转器使朝向所述离子捕获区域行进的离子发生偏转，使得进入所述离子捕获区域的离子在不同位置进入所述离子捕获区域；和/或

(iii)使用所述离子偏转器使朝向所述离子捕获区域行进或进入所述离子捕获区域的离子发生偏转，使得离子正交于所述出口轴和/或所述入口轴以不同的速度进入所述离子捕获区域，使得所述离子在正交于所述入口轴和/或出口轴的方向上在所述离子捕获区域内扩散。